JP2003046164A - 直交励起型レーザ発振器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 直交励起型レーザ発振器において、発振器筐
体の熱変形にかかわらず、光共振器の光学基台の傾き変
動を抑制し、レーザビームの出力やビームモードを安定
にすることができる直交励起型レーザ発振器を得るこ
と。 【解決手段】 発振器筐体と、前記発振器筐体の両側に
設置され、光軸方向に延在する少なくとも３本以上の支
持棒１２、１３、１４によって互いに平行接続された、
光共振器を構成する光学部品をそれぞれ支持する一対の
光学基台９と、前記一対の光学基台９と前記発振器筐体
との間を接続する一対のベローズ１１と、を備える直交
励起型レーザ発振器であって、前記光共振器の光軸方向
の曲げ変形に関する中立軸が、前記ベローズ１１の中心
に一致した位置になるように、前記各支持棒の断面積を
異ならせる。

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】この発明は、発振器筐体の両
側に光共振器を構成する光学部品を支持する一対の光学
基台が配設された直交励起型レーザ発振器に関し、特に
発振器筐体の熱変形による光学基台の傾き変動を抑制す
るようにした直交励起型レーザ発振器に関するものであ
る。 【０００２】 【従来の技術】図３〜図５は、特開２０００−１８３４
２５号公報に開示されている従来型の直交励起型レーザ
発振器の構造を示すものであり、図３は直交励起型レー
ザ発振器の斜視図を、図４はその平面図を、そして図５
はその側面図を示す。 【０００３】直交励起型レーザ発振器はＣＯ₂ガス等の
レーザ媒体ガスが封入された密閉構造の発振器筐体１を
有しており、発振器筐体１内には、レーザビーム発生用
の放電電極２ａ、２ｂと、レーザ媒体ガスを冷却する熱
交換器３と、レーザ媒体ガスを循環させる送風器４と、
放電電極２ａ、２ｂ間を通過したレーザ媒体ガスを熱交
換器３に戻すダクト５とが設けられている。発振器筐体
１の両側には、一対の光学基台９、７が配置されてお
り、その一対の光学基台９、７と発振器筐体１との間の
レーザビーム通過部分は、それぞれベローズ１１、１０
によって接続されている。 【０００４】前部光学基台９には部分反射鏡８が、後部
光学基台７には全反射鏡６が固定されており、部分反射
鏡８と全反射鏡６とが同一光軸上に互いに平行に固定さ
れるように、後部光学基台７と前部光学基台９とは、下
部１本、上部２本の合計３本のレーザビーム進行方向
（光軸方向）に延在する支持棒１２〜１４によって互い
に剛固に接続されている。発振器筐体１上側における支
持棒１３、１４は、それぞれ軸方向中央部をブラケット
２０、２１によって発振器筐体１上面の光軸方向中央部
分に接続されている。熱変形の少ない送風器４側に位置
する支持棒１３の発振器筐体１に対するブラケット２０
による中央部接続は、固定接続であり、他方の高温側に
位置する支持棒１４の発振器筐体１に対するブラケット
２１による中央部接続は、軸方向および高さ方向の動き
を拘束した可動接続とされている。下部の支持棒１２
は、発振器筐体１とブラケットによる接続はなされてお
らず、支持棒１２の両端が光学基台９、７に固定されて
いるのみである。 【０００５】図６は、設計上、理想的な前部光学基台９
上でのベローズ１１と支持棒１２〜１４の位置関係を示
すものである。この図においては、各支持棒１２〜１４
は同じ直径ｄを持ち、ベローズ１１と上側の支持棒１
３、１４との高さ方向の距離はａであり、同じくベロー
ズ１１と下側の支持棒１２との高さ方向の距離は２ａで
ある。すなわち、光学基台９に固定された支持棒１２〜
１４の各中心を結ぶ二等辺三角形の図心が、ベローズ１
１の中心に一致した構造となっている。さらに、ベロー
ズ１１の位置は２つの光学基台９、７と３本の支持棒１
２〜１４からなる構造体（光共振器）の光軸方向の曲げ
変形に関する中立軸に一致したものとなっている。 【０００６】発振器筐体１は、温度上昇によって変形す
るが、中でも特に光軸方向の伸びが大きい。一方、光共
振器の２つの光学基台９、７の間隔は、支持棒１２〜１
４と発振器筐体１上面に設置された支持棒１３、１４の
ブラケット２０、２１によって、ほとんど変化しない。
したがって、温度上昇に伴って、光学基台９、７と発振
器筐体１との間隔が小さくなるような変化が発生する。
この変化は、基本的には、ベローズ１１、１０の光軸方
向の弾性変形によって吸収される。ベローズ１１、１０
の光軸方向のたわみに関する剛性は非常に小さくしてあ
るけれども、ベローズの剛性を小さくするのには限界が
あり、ベローズの弾性変形によって若干の反力が発生す
る。このベローズからの反力は、２つの光共振器の間隔
を押し拡げるように作用するが、図６に示したように、
光共振器の曲げ変形に関する中立軸がベローズの位置に
一致している場合は、光共振器は曲げモーメントを受け
ることがない。その結果、２つの光学基台９、７の間の
平行度を維持することが可能となる。これは、図６に示
されるように、発振器筐体１の端面（光学基台９、７）
における、上部支持棒１３、１４とベローズ１１、１０
との高さ方向の距離と下部支持棒１２とベローズ１１、
１０との高さ方向の距離との比がほぼ１：２となる位置
にベローズ１１、１０が配置されるように、発振器筐体
１内の放電電極２ａ、２ｂや熱交換器３、送風器４など
が適当な大きさをもって、適切な位置に配置された理想
的な場合において達成される。 【０００７】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、例え
ば、熱交換器３の能力を増強するために、図６に示され
るものよりもサイズの大きい熱交換器３’を採用した場
合、これに伴い放電電極２ａ、２ｂの位置、ひいてはベ
ローズ１１、１０の位置を上方にずらす必要性が出てく
る。図７は、上部支持棒１３、１４とベローズ１１との
高さ方向の距離と下部支持棒１２とベローズ１１との高
さ方向の距離との比が１：３となる位置にベローズ１１
が配置される場合を示すものである。この場合、図６と
比較して明らかなように、ベローズ１１の位置が、３本
の支持棒１２〜１４の各中心を結ぶ三角形の図心から上
方にずれている。このような配置では、ベローズ１１、
１０の中心の位置と光共振器の曲げ変形に関する中立軸
の位置とが一致していないために、図８に示されるよう
に、温度上昇による発振器筐体１と光学基台９、７との
間隔の減少に伴うベローズ１１の弾性変形による反力Ｆ
によって、２つの光学基台９、７の上部側の間隔が押し
拡げられ、その結果光学基台９、７は曲げモーメントを
受けてしまう。そして、２つの光学基台９、７間の平行
関係は失われてしまう。 【０００８】また、光共振器の剛性を向上させるため
に、図６のような３本の支持棒から図９に示されるよう
に支持棒を４本に変更した場合には、ベローズ１１の位
置は、４本の支持棒１２〜１５の各中心を結んでできる
四角形の図心よりも上方にずれる。したがって、この場
合も上述した熱交換器を大きくした場合の例と同じよう
に、ベローズ１１の中心の位置と光共振器の曲げ変形に
関する中立軸の位置とが一致していないために、図８に
示されるように、光共振器は曲げモーメントを受け、２
つの光学基台９、７間の平行度に狂いを生じさせてしま
う。そして、このような光学基台９、７の平行度の狂い
は、レーザ出力あるいはビームモードを不安定にする。 【０００９】この発明は上記に鑑みてなされたもので、
発振器筐体の熱変形にかかわらず、光共振器の光学基台
の傾き変動を抑制し、レーザ光のレーザビームの出力や
ビームモードを安定にすることができる直交励起型レー
ザ発振器を得ることを目的としている。 【００１０】 【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、この発明にかかる直交励起型レーザ発振器は、発振
器筐体と、前記発振器筐体の両側に設置され、光軸方向
に延在する少なくとも３本以上の支持棒によって互いに
平行接続された、光共振器を構成する光学部品をそれぞ
れ支持する一対の光学基台と、前記一対の光学基台と前
記発振器筐体との間を接続する一対のベローズと、を備
える直交励起型レーザ発振器であって、前記光共振器の
光軸方向の曲げ変形に関する中立軸が、前記ベローズの
中心に一致した位置になるように、前記各支持棒の断面
積を異ならせることを特徴とする。 【００１１】この発明によれば、一対の光学基台を互い
に平行接続するための支持棒として、光共振器の光軸方
向の曲げ変形に関する中立軸がベローズの中心に一致す
るような、断面積の異なる支持棒を用いる。これによ
り、光共振器の光軸方向の曲げ変形に関する中立軸が、
ベローズの中心に一致した位置になる。その結果、発振
器筐体の光軸方向の伸びによって、光学基台と発振器筐
体端面との間隔が変化し、ベローズを介して光学基台の
間隔を押し拡げる力が働いても、光共振器に曲げモーメ
ントが発生しないので、２つの光学基台間の平行度が維
持される。 【００１２】 【発明の実施の形態】以下に添付図面を参照して、この
発明にかかる直交励起型レーザ発振器の好適な実施の形
態を詳細に説明する。なお、以下に説明するこの発明の
実施の形態において上述の従来例と同一の構成の部分
は、上述の従来例に付した符号と同一の符号を付してい
る。 【００１３】実施の形態１．図１は、この発明にかかる
直交励起型レーザ発振器の実施の形態１を示すものであ
り、光軸方向から見た直交励起型レーザ発振器の側面図
を示している。９は前部光学基台を、１１はベローズ
を、１２は下部の支持棒を、そして１３、１４は上部の
支持棒をそれぞれ表している。 【００１４】この場合、発振器筐体１と光学基台７、９
とは、先の図３に示した従来技術と同様、３本の支持棒
１２〜１４によって連結されている。すなわち、後部光
学基台７と前部光学基台９とは、下部１本、上部２本の
合計３本のレーザビーム進行方向（光軸方向）に延在す
る支持棒１２、１３、１４によって互いに剛固に接続さ
れている。発振器筐体１上側における支持棒１３、１４
は、それぞれ軸方向中央部がブラケット２０、２１によ
って発振器筐体１上面の光軸方向中央部分に接続されて
いる。熱変形の少ない送風器４側に位置する支持棒１３
の発振器筐体１に対するブラケット２０による中央部接
続は完全な固定接続であり、他方の高温側に位置する支
持棒１４の発振器筐体１に対するブラケット２１による
中央部接続は軸方向および高さ方向の動きを拘束した可
動接続とされている。すなわち、ブラケット２１は矢印
で示すように、左右方向にスライド可能である。また、
下部の支持棒１２は発振器筐体１とブラケットによる接
続はなされておらず、その両端部が光学基台９、７と固
定されているのみである。 【００１５】前述したように、この種のレーザ発振器に
おいて、例えば、熱交換器３の能力を上げるためにより
サイズの大きい熱交換器に交換した場合、それに応じて
ベローズ１１の位置が上方へ移動する。例えば、従来の
ものにおいては、図６に示されるように上部の支持棒１
３、１４とベローズ１１との高さ方向の距離と下部の支
持棒１２とベローズ１１との高さ方向の距離の比が１：
２であったものが、能力の大きい熱交換器に交換した結
果、図１に示されるようにその比が１：３に変化したと
する。このままだと、先の図６および図８で説明したよ
うに、同じ太さの３本の支持棒１２〜１４の中心を結ん
で作られる三角形の図心と、光共振器の曲げ変形に関す
る中立軸の位置とがずれているために、温度上昇に伴っ
て、ベローズ１１の弾性変形による反力によって２つの
光学基台９、７の平行度が狂ってしまう。 【００１６】そこで、この実施の形態１では、支持棒１
２〜１４の断面積を異ならせることによって、ベローズ
１１の中心が各支持棒１２〜１４の各中心を結ぶ二等辺
三角形の図心には一致していないが、ベローズ１１の中
心を光共振器の光軸方向の曲げ変形に関する中立軸の位
置に一致させるようにしている。より具体的には、各支
持棒１２〜１４の断面が円形であればそれぞれの径（太
さ）を変化させることによって、ベローズ１１の中心を
光共振器の曲げ変形に関する中立軸の位置に一致させ
る。図１の場合、下部の支持棒１２の直径をｄ、上部の
支持棒１３、１４とベローズ１１との高さ方向の距離を
ａ、下部の支持棒１２とベローズ１１の高さ方向の距離
を３ａとして、上部の支持棒１３、１４の直径ｘを求め
るために、支持棒の断面積（直径の２乗に比例）と図心
からの距離の逆数の比は一定になることを利用して、Ｚ
軸方向で釣り合いの式を立てる。 ２×ｘ²：ｄ²＝ａ^-1：(３ａ) ^-1 ２×ｘ²×ａ＝ｄ²×３ａ これより、 ｘ＝（３／２）^1/2×ｄ となり、上部の支持棒１３、１４の直径が求められる。 【００１７】このように求められた値を直径とする上部
の支持棒１３、１４を使用すると、ベローズ１１の中心
と、光共振器の曲げ変形に関する中立軸とが一致するよ
うになる。その結果、ベローズ１１の光軸方向の反力に
よる光共振器構造体の曲げ変形が発生せず、２つの光共
振器は平行状態を保ったまま、光学基台９、７の間隔が
拡がる方向の力を受けるのみとなる。そして、精確に調
整されたレーザ光のビームアライメントに狂いを生じさ
せることがなく、レーザビームの出力やビームモードを
安定化することができる。 【００１８】なお、ここでは上部の支持棒１３、１４の
直径を変化させたが、上部の支持棒１３、１４の直径を
ｄとして、下部の支持棒１２の直径を変化させてもよい
し、３本の支持棒うちのいずれか１本の直径をｄとして
残りの２本の直径をそれぞれ変化させてもよい。 【００１９】実施の形態２．つぎに、この発明の実施の
形態２について説明する。図２は、この発明にかかる直
交励起型レーザ発振器の実施の形態２を示すものであ
り、光軸方向から見た直交励起型レーザ発振器の側面図
を示している。９は前部光学基台を、１１はベローズ
を、１２、１５は下部の支持棒を、１３、１４は上部の
支持棒をそれぞれ表わしている。 【００２０】この場合、発振器筐体１と光学基台７、９
とは、４本の支持棒１２〜１５によって連結されてい
る。すなわち、後部光学基台７と前部光学基台９とは、
下部２本、上部２本の合計４本のレーザビーム進行方向
（光軸方向）に延在する支持棒１２〜１５によって互い
に剛固に接続されている。発振器筐体１上側における支
持棒１３、１４は、それぞれ軸方向中央部がブラケット
２０、２１によって発振器筐体１上面の光軸方向中央部
分に接続されている。熱変形の少ない送風器４側に位置
する支持棒１３の発振器筐体１に対するブラケット２０
による中央部接続は完全な固定接続であり、他方の高温
側に位置する支持棒１４の発振器筐体１に対するブラケ
ット２１による中央部接続は軸方向および高さ方向の動
きを拘束した可動接続とされている。また、下部の支持
棒１２、１５は発振器筐体１とブラケットによる接続は
なされておらず、それぞれ支持棒１２、１５の両端部が
光学基台９、７に固定されているのみである。 【００２１】前述したように、この種のレーザ発振器に
おいて、光共振器の剛性を増すために、下部支持棒１５
を１本追加して支持棒を４本にすると、ベローズ１１の
中心の位置が、４本の支持棒１２〜１５の各中心を結ん
で形成される四角形の図心よりも上方にずれているため
に、光共振器の曲げ変形に関する中立軸とベローズ１１
の中心が一致しない。この状態のままでは、先の図９で
説明したように、温度の上昇と共に光共振器は曲げモー
メントを受け、２つの光学基台間の平行度に狂いを生じ
させてしまう。 【００２２】そこで、この実施の形態２では、各支持棒
１２〜１５の断面積を異ならせることによって、ベロー
ズ１１の中心が、各支持棒１２〜１５の各中心を結ぶ多
角形の図心には一致していないが、ベローズ１１の中心
を光共振器の曲げ変形に関する中立軸の位置に一致させ
る。より具体的には、各支持棒１２〜１５の断面が円形
であればそれぞれの径（太さ）を変化させることによっ
て、ベローズ１１の中心を光共振器の曲げ変形に関する
中立軸の位置に一致させる。図２の場合、下部の支持棒
１２、１５の直径をｄ、上部の支持棒１３、１４とベロ
ーズ１１との高さ方向の距離をａ、下部の支持棒１２、
１５とベローズ１１の高さ方向の距離を２ａとして、上
部の支持棒１３、１４の直径ｘを求めるために、支持棒
の断面積（直径の２乗に比例）と図心からの距離の逆数
の比は一定になることを利用して、Ｚ軸方向で釣り合い
の式を立てる。 ２×ｘ²：２×ｄ²＝ａ^-1：(２ａ) ^-1 ２×ｘ²×ａ＝２×ｄ²×２ａ これより、 ｘ＝２^1/2×ｄ となり、上部の支持棒１３、１４の直径が求められる。 【００２３】このようにして求められた値を直径とする
上部の支持棒１３、１４を使用すると、光共振器の曲げ
変形に関する中立軸が、ベローズ１１の中心に一致する
ようになる。その結果、ベローズ１１の光軸方向の反力
による光共振器構造体の曲げ変形が発生せず、２つの光
共振器は平行状態を保ったまま、光学基台９、７の間隔
が拡がる方向に力を受けるのみとなる。そして、レーザ
光のビームアライメントに狂いが生じず、レーザビーム
の出力やビームモードを安定化することができる。 【００２４】なお、ここでは上部の支持棒１３、１４の
直径を変化させたが、上部の支持棒１３、１４の直径を
ｄとして、下部の支持棒１２、１５の直径を変化させて
もよい。 【００２５】また、実施の形態１では３本の支持棒１２
〜１４で一対の光学基台９、７を支持し、実施の形態２
では４本の支持棒１２〜１５で一対の光学基台９、７を
支持し、それぞれの上部の支持棒１３、１４の一部が発
振器筐体１に固定されるようにしたが、例えば、他に、
上部の支持棒１３、１４それぞれが発振器筐体１の上面
と少なくとも２箇所以上で、発振器筐体１の上面の面内
方向に自由度を有する形態で、接続されるものであって
も良い。また、５本以上の支持棒を用いて光学基台９、
７を連結しても良い。さらに、光軸方向の両側端部に端
板を有する発振器筐体とその両側に配置された光学基台
とが、ベローズによって接続され、さらに複数本の支持
棒によって端板を貫通して各光学基台と発振器筐体と結
合されるような構成にも、この発明を適用することがで
きる。 【００２６】 【発明の効果】以上説明したように、この発明による直
交励起型レーザ発振器によれば、各支持棒の断面積を不
等として、光共振器の光軸方向の曲げ変形に関する中立
軸を、ベローズの中心に一致させるようにしている。そ
の結果、温度上昇により発振器筐体が熱変形を起こし、
ベローズに弾性変形による反力が生じても、その反力は
２つの光学基台の平行状態を保ったまま、その間隔を拡
げる方向にのみ作用するので、精密に調整されたレーザ
光のビームアライメントに狂いが生じず、レーザビーム
の出力やビームモードが安定化されるという効果を有す
る。

【図面の簡単な説明】 【図１】 この発明の実施の形態１の直交励起型レーザ
発振器の側面図である。 【図２】 この発明の実施の形態２の直交励起型レーザ
発振器の側面図である。 【図３】 直交励起型レーザ発振器の従来例を示す斜視
図である。 【図４】 直交励起型レーザ発振器の従来例を示す平面
図である。 【図５】 直交励起型レーザ発振器の従来例を示す正面
図である。 【図６】 従来の直交励起型レーザ発振器の側面図であ
る。 【図７】 従来の直交励起型レーザ発振器の側面図であ
る。 【図８】 従来の直交励起型レーザ発振器における熱変
形状態を示す正面図である。 【図９】 従来の直交励起型レーザ発振器の側面図であ
る。 【符号の説明】 １ 発振器筐体、２ａ，２ｂ 放電電極、３ 熱交換
器、４ 送風器、５ ダクト、６ 全反射鏡、７ 後部
光学基台、８ 部分反射鏡、９ 前部光学基台、１０，
１１ ベローズ、１２，１３，１４，１５ 支持棒、２
０，２１ ブラケット。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小原 隆雄 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 (72)発明者 西田 聡 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 Ｆターム(参考） 5F071 AA05 DD08 EE04 JJ05 JJ06

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 発振器筐体と、 前記発振器筐体の両側に設置され、光軸方向に延在する
   少なくとも３本以上の支持棒によって互いに平行接続さ
   れた、光共振器を構成する光学部品をそれぞれ支持する
   一対の光学基台と、 前記一対の光学基台と前記発振器筐体との間を接続する
   一対のベローズと、 を備える直交励起型レーザ発振器であって、 前記光共振器の光軸方向の曲げ変形に関する中立軸が、
   前記ベローズの中心に一致した位置になるように、前記
   各支持棒の断面積を異ならせることを特徴とする直交励
   起型レーザ発振器。